CN108278438B - 一种管道噪声主动控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道噪声主动控制装置及方法，包括管道及设置在管道上的噪声控制装置，所述噪声控制装置包括信号装换单元、信号采集单元、控制单元及行单元，所述信号转换单元固定在管道的噪声源处，用于将管道噪声源处噪声的声学信号转换成电信号；所述信号采集单元的接收端与信号转换单元的输出端电路连接，用于对信号转换单元转化的电信号进行采集；本发明的有益效果是：控制单元通过读取信号采集单元获取的信号转换单元的电信号，分析管道的噪声信号的特性，进而计算实时的控制信号给执行单元，使其在管道控制点处产生次级声与管道噪声叠加，以达到降低排气噪声的目的。

Description

一种管道噪声主动控制装置及方法
技术领域
本发明涉及管道噪声控制技术领域，具体涉及一种管道噪声主动控制装置及方法。
背景技术
随着我国工业的迅速发展,管道系统己越来越广泛地应用于许多领域,如城市供水的长距离管线、大规模集中供暖系统、大型油田的长距离输油管线、核电站中的水循环系统等等,由于这些管道系统对国民经济以及人民生活都起着十分重要的作用,所以保证管道输送的研究是十分必要的。在管道在正常工作时会因为不同的环境缘故，产生噪声，这将会影响管道的正常工作，以及管道的噪声也会对工作人员造成一种慢性的损伤,医学上已因噪声污染而出现的“亚健康”症状定为“噪声病”。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、噪声抑制效果好的一种管道噪声主动控制装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种管道噪声主动控制装置，其特征在于，包括管道及设置在管道上的噪声控制装置，所述噪声控制装置包括信号装换单元、信号采集单元、控制单元及执行单元，所述信号转换单元固定在管道的噪声源处，用于将管道噪声源处噪声的声学信号转换成电信号；所述信号采集单元的接收端与信号转换单元的输出端电路连接，用于对信号转换单元转化的电信号进行采集，所述控制单元的输入端与信号采集单元的输出端电路连接，用于接收信号采集单元的噪声电信号，并输出噪声控制信号，所述执行单元的输入端与控制单元的输出端连接，用于接收控制单元的噪声控制信号后产生次级声输出。
所述的一种管道噪声主动控制装置，其特征在于，所述信号转换单元采用声学传感器。
所述的一种管道噪声主动控制装置，其特征在于，所述信号采集单元采用电信号采集仪。
所述的一种管道噪声主动控制装置，其特征在于，所述执行单元采用次生扬声器。
所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据信号采集单元对管道采集的噪声电信号进行傅里叶变换分析，提取声级最大处的第一阶模态频率、幅值及相位参数。
2)利用主动噪声控制方法，并基于自适应滑模控制算法产生控制信号，使执行单元发出一个与噪声源管道的声波频率相等，幅值相等且相位相反的抗噪声源，使二者相互抵消。
所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征自在于，所述主动噪声控制方法是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理。
所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征自在于，所述自适应滑模控制算法，控制律为：
M和δ是管道噪声的特征参数，
c，k1和k0是实际的噪声控制实验确定的控制参数，
e(t)＝Xm-X为控制误差，
为滑模函数，
X为管道(1)的噪声电信号，Xm是参考信号，
Xm＝k*X，0＜k＜1，
g(t)＝k1|s(t)|asgn(s(t))。
本发明的有益效果是：
1)控制单元通过读取信号采集单元获取的信号转换单元的电信号，分析管道的噪声信号的特性，进而计算实时的控制信号给执行单元，使其在管道控制点处产生次级声与管道噪声叠加，以达到降低排气噪声的目的，
2)管道噪声基于自适应滑模控制方法能够更快速的对噪声进行控制并且具有良好的控制品质，此基于自适应幂次滑模控制算法的a值是根据滑模函数s(t)自适应变化，有着更快的趋近速度，优良的鲁棒性和更好的噪声控制品质，对管道的噪声起到很好的控制，达到更好的降噪效果。
3)本发明只对管道噪声的第一阶模态噪声控制，控制系统设计简单易实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的声波相消性干涉原理图；
图3为本发明的基于自适应滑模控制算法原理图；
图4为本发明的两种控制算法的误差-时间图。
图中：1-管道，2-信号转换单元，3-信号采集单元，4-控制单元，5-执行单元，9-曲线a,10-曲线b。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-4所示，一种管道噪声主动控制装置及方法，包括管道1、信号转换单元2、信号采集单元3、控制单元4及执行单元5。
噪声控制装置设置在管道1上，噪声控制装置包括信号装换单元2、信号采集单元3、控制单元4及行单元5；
信号转换单元2固定在管道1的噪声源处，采用声学传感器，用于将管道1噪声源处噪声的声学信号转换成电信号；
信号采集单元3采用电信号采集仪，其接收端与信号转换单元2的输出端电路连接，用于对信号转换单元2转化的电信号进行采集；
控制单元4的输入端与信号采集单元3的输出端电路连接，用于接收信号采集单元3的噪声电信号，并输出噪声控制信号；
执行单元5采用次生扬声器，其输入端与控制单元的输出端连接，用于接收控制单元4的噪声控制信号后产生次级声输出；
工作原理：
信号转换单元2获取管道1的噪声电信号，通过信号采集单元3采集噪声电信号给控制单元4，经过控制单元4的分析，输出控制信号到执行单元5，使其在管道1控制点处产生次级声与管道1噪声叠加，以达到降低排气噪声的目的。
具体步骤如下：
1)根据信号采集单元3对管道1采集的噪声电信号进行傅里叶变换分析，提取声级最大处的第一阶模态频率，幅值和相位等参数。
2)利用主动噪声控制方法，并基于自适应滑模控制算法产生控制信号，使执行单元5产生一个与噪声源管道1的声波6频率相等、幅值相等及相位相反的抗噪声源，使二者相互抵消为声波。
主动噪声控制方法是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理。
自适应滑模控制算法，控制律为：
M和δ是管道噪声的特征参数，
c，k1和k0是实际的噪声控制实验确定的控制参数，
e(t)＝Xm-X为控制误差，
为滑模函数，
X为管道(1)的噪声电信号，Xm是参考信号，
Xm＝k*X，0＜k＜1，
g(t)＝k1|s(t)|asgn(s(t))。
噪声的声级最大在其第一阶模态处，声级最大处的能量最大，因此对管道1的第一阶模态噪声进行自适应主动控制，就可以达到很好的噪声控制效果。管道1噪声的声级最大处，通过控制单元4对接收到由信号采集单元3从传感单元2获得管道1的噪声信号进行快速傅里叶变换分析，提取声级最大处的第一阶模态频率，幅值和相位等参数。
控制单元4根据对管道1的噪声电信号分析出噪声的第一阶模态频率，幅值和相位等参数，利用主动噪声控制(ANC,Active Noise Control)方法，产生控制信号给执行单元5,主动噪声控制(ANC,Active Noise Control)方法是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，声波相消性干涉如图2所示，执行单元5产生一个与噪声源管道1的声波频率相等，幅值相等和相位相反的抗噪声源，使二者相互抵消为声波，使得声波的噪声幅值为0，从而达到降低噪声的目的。
传统的幂次趋近律滑模控制算法幂次系数a是固定值，易导致管道1噪声控制抖动剧烈或控制时间过长问题，此基于自适应幂次滑模控制算法的a值是根据滑模函数s(t)自适应变化，有着更快的趋近速度，优良的鲁棒性和更好的噪声控制品质，对管道1的噪声起到很好的控制，达到更好的降噪效果，提取对管道1的噪声控制过程中基于传统幂次趋近律滑模控制算法与基于自适应幂次趋近律滑模控制算法的两控制种算法误差-时间图像，如图4所示，曲线b10是基于传统幂次趋近律滑模控制算法控制的误差，曲线a9是基于自适应幂次趋近律滑模控制算法控制的误差，误差曲线a9比曲线b10更加快速趋近于0，即对管道1的噪声控制的速度更快。
综上所述，本发明提供的方法构建一种管道噪声振动自适应主动控制装置，在不改变管道结构的前提下，可以实现对管道噪声自适应主动控制，达到降低管道噪声的效果，此管道噪声自适应主动控制装置有着结构简单，造价低廉，可控范围广等优点。

Claims (4)

1.一种管道噪声主动控制方法，其特征在于，控制装置包括管道（1）及设置在管道（1）上的噪声控制装置，所述噪声控制装置包括信号转换单元（2）、信号采集单元（3）、控制单元（4）及执行单元（5），所述信号转换单元（2）固定在管道（1）的噪声源处，用于将管道（1）噪声源处噪声的声学信号转换成电信号；所述信号采集单元（3）的接收端与信号转换单元（2）的输出端电路连接，用于对信号转换单元（2）转化的电信号进行采集，所述控制单元（4）的输入端与信号采集单元（3）的输出端电路连接，用于接收信号采集单元（3）的噪声电信号，并输出噪声控制信号，所述执行单元（5）的输入端与控制单元的输出端连接，用于接收控制单元（4）的噪声控制信号后产生次级声输出；
控制方法包括如下步骤：
1）根据信号采集单元（3）对管道（1）采集的噪声电信号进行傅里叶变换分析，提取声级最大处的第一阶模态频率、幅值及相位参数；
2）利用主动噪声控制方法，并基于自适应滑模控制算法产生控制信号，使执行单元（5）发出一个与管道（1）噪声源的声波频率相等，幅值相等且相位相反的抗噪声源，使二者相互抵消；
所述自适应滑模控制算法，控制律为：
，
是管道噪声的特征参数，
和/>是实际的噪声控制实验确定的控制参数，
为控制误差，
为滑模函数，
X为管道（1）的噪声电信号，
是参考信号，
，/>，
。
2.根据权利要求1所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征在于，所述信号转换单元（2）采用声学传感器。
3.根据权利要求1所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征在于，所述信号采集单元（3）采用电信号采集仪。
4.根据权利要求1所述的一种管道噪声主动控制方法，其特征在于，所述执行单元（5）采用次生扬声器。
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